木材的力學(xué)性質(zhì).ppt

1、第六章木材力學(xué)性質(zhì)、木材力學(xué)性質(zhì)：木材在外力作用下出現(xiàn)變形和破壞的性質(zhì)。 木材的力學(xué)性質(zhì)主要包括彈性、塑性、蠕變、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、沖擊韌性、斷裂力、抗扭強度、硬度和耐磨耗性等。 木材力學(xué)性質(zhì)的各向異性(材料力學(xué)的基本假設(shè))，與一般的鋼材、混凝土及石材等材料不同，木材是生物材料，其結(jié)構(gòu)的各向異性會引起其力學(xué)性質(zhì)的各向異性。 因此，木材力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)有順紋、橫紋、徑向、弦向分。 學(xué)習(xí)木材力學(xué)性質(zhì)的意義，掌握木材特性，合理選材才能。 學(xué)習(xí)難點、木材力學(xué)性質(zhì)的基本概念的理解、木材力學(xué)性質(zhì)的特征及其影響因素。 本章著重把握木材的主要力學(xué)性質(zhì)的種類、受力方式及其測定方法。 木材允許

2、應(yīng)力的確定。6.1木材力學(xué)的基礎(chǔ)理論和特征、6.1.1應(yīng)力和應(yīng)變、應(yīng)力：分布內(nèi)力的集度(Nm2)、6.1.1.1應(yīng)力、應(yīng)力的基本類型：拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力、拉伸應(yīng)力、=E (胡克定理)是：木材的耐壓、拉伸及彎曲阻力時的e值實驗表明，6.1. 2比例極限、彈性變形、永久變形、木材壓壞比例極限p遠小于拉伸時。 (1)比例極限(p ) (比例極限工程意義)、(2)彈性變形、(3)永久變形、6.1. 3剛性、脆性、韌性和塑性、木材因具有高剛性密度比，可用于建筑材料。 (1)剛性材料抵抗變形的能力，(2)脆性材料破壞之前沒有明顯變形的性質(zhì)。 木材的脆性與樹種、生長環(huán)境、遺傳、生長應(yīng)力、缺陷和腐敗

3、有關(guān)。 脆性大的木材，一般重量輕，纖維素含量低。 生長輪特別寬的針葉樹材和生長輪特別窄的闊葉材容易形成脆性木材。 (3)韌性材料對沖擊的抵抗力(KJm2 )，韌性大的木材對沖擊的抵抗力強，對裂紋的抵抗力也強。 因此，工程中用木材的耐沖擊性和耐裂紋性來表現(xiàn)木材的韌性。 (4)保持塑料材料所具有的不可恢復(fù)變形的性質(zhì)。 木材是不完全彈性材料，僅在一定范圍內(nèi)具有彈性，超過該范圍時，木材會產(chǎn)生塑性變形。 木材的塑性與樹種、樹齡、溫度、含水率有關(guān)。 一般來說，木材的塑性隨著溫度和含水率的上升而增大。 (木材的主要成分)，木材塑性的工程應(yīng)用，6.1.4木材的粘彈性，6.1.4.1彈性固體和粘性流體的變形特性

4、，(1)彈性固體具有規(guī)定的形狀，變形只涉及外力，與時間無關(guān)。 去除外力后，變形消失，恢復(fù)原形。 (2)粘性流體沒有確定的形狀，取決于容器。 變形與外力和時間有關(guān)，會產(chǎn)生不可逆的流動變形。 6.1.4.2木材的粘彈性，木材是生物高分子材料，具有彈性固體和粘性流體的特性。 有彈性和粘性兩種不同的機構(gòu)變形。 體現(xiàn)了彈性固體和流體的綜合特性。 木材的這種特性稱為木材的粘彈性。 蠕變和松弛等(1)木材蠕動，木材蠕動，木材在恒定應(yīng)力下其變形隨時增大的現(xiàn)象。 木材蠕變過程的三個變形：瞬時彈性變形(遵循胡克定理)、彈性滯后變形(粘彈性)是由纖維素分子鏈的卷縮或伸展引起的。 由塑性變形(塑性)纖維素的分子鏈間的

5、相對折射動引起的。 (2)木材松弛現(xiàn)象，有蠕動必有松弛，反之亦然。 爬升和松弛與木材樹種(密度)有關(guān)，也與溫度和含水率有關(guān)。(3)爬升和松弛對工程的影響，木材松弛木材在恒定應(yīng)變下應(yīng)力隨時增加減少的現(xiàn)象。 (4)木材蠕變特性的研究概要、木材的蠕變特性曲線為粘彈性曲線。 木材的蠕變由三部分組成：第一部分是由木材內(nèi)部的高度結(jié)晶化的微原纖維框架引起的彈性變形，該變形瞬間完成(4)木材的蠕變特性的研究概要，第二部分是由節(jié)段的延伸引起的延遲彈性變形，該變形隨時變化的第三部分是高分子的根據(jù)、力學(xué)模型、流變學(xué)理論，其中一種瞬時蠕變?nèi)崃縅(t )、數(shù)學(xué)模型、5.1.5木材力學(xué)性質(zhì)的特征、5.1.5.1木材性質(zhì)的

6、分層性針葉材闊葉樹的分層狀是明顯的，在徑向截面上，朝夕材料交替地成為平行條紋的弦的截面上5.1.5.2多孔性木材主要是細胞組成，在微觀結(jié)構(gòu)上橫截面上看到的細胞截面是作為孔的直徑切斷面，弦切斷面是中空管狀，細胞壁上有紋孔等的宏觀結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)管分子的細孔狀結(jié)構(gòu)等。 5.1.5.3木材力學(xué)性質(zhì)各向異性，上述木材物理性質(zhì)(干縮性、熱、電、聲等)結(jié)構(gòu)性質(zhì)各向異性，同樣木材力學(xué)性質(zhì)也有各向異性。 木材的許多細胞沿軸向排列，只有很少的木線沿徑向排列。 木材由中空的管狀細胞組成，其所有方向都受到外力的作用，木材破壞時產(chǎn)生的極限應(yīng)力不同。 例如，順紋抗拉強度達到120.0-150.0Mpa，但橫紋抗拉強度只有3.

7、0-5.0Mpa(C-H，H-O )，因此主要與其它構(gòu)成分子的價鍵不同。 軸向的纖維蛋白鏈狀分子通過C-C、C-O鍵連接，與此相對，橫向的纖維蛋白鏈狀分子通過C-H、H-O鍵連接，兩者的價鍵的能量大不相同。 5.1.5.4木材的親濕性、上述纖維飽和點是材性變化的轉(zhuǎn)變點，在木材含水率在纖維飽和點以下的情況下，木材中的纖維素和半纖維素分子上的游離羥基吸收空氣中的水分子時，使木材的體積、密度發(fā)生變化，使木材的強度發(fā)生變化。 5.1.5.5木材力學(xué)性質(zhì)變異性，木材力學(xué)性質(zhì)因樹種而異。 同一樹種，不同部位的力學(xué)性質(zhì)不同.同一樹種，不同生長條件的力學(xué)性質(zhì)不同的同時，木材的不同間隙，如節(jié)子、紋理、腐爛等影響

8、木材的力學(xué)性能. 5.2木材主要力學(xué)性質(zhì)的測定原理和方法，木材力學(xué)性質(zhì)的研究，適用于力學(xué)種類、受力方向、靜力負荷和動力負荷及加工技術(shù)等。 木材的強度和其他材料一樣，可以分為拉伸、抗壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)、裂紋、耐磨耗性、沖擊、硬度等。 木材是非均質(zhì)性各向異性材料，其縱向、徑向和弦向三向力學(xué)強度有明顯差異。 木材主要力學(xué)性質(zhì)的測定主要采用靜力負荷進行。 5.2.1木材拉伸強度、木材順紋拉伸強度是指木材在紋理方向上承受拉伸載荷的最大能力。 木材順筋抗拉強度大，各種木材平均約為117.7147.1MPa，是順筋抗壓強度的23倍。 木材在使用中很少被扯斷破壞。 木材順紋拉伸破壞主要是縱裂粗微原纖維絲與微

9、原纖維絲之間的剪切。 微原纖維的縱向C-C、C-O鍵非常牢固，因此拉伸破壞時的變形小，通常應(yīng)變值小于13，但強度值高。 木材順紋抗張力學(xué)試料及其受力方向，在試驗時使用帶自動對直拉夾具的試驗機進行，試驗以均勻的速度施加負荷，在1.5-2.0分鐘以內(nèi)破壞試料。 順筋拉伸強度按照下式進行修正。 wP/a.b式中： p最大負荷、n； a、b一試樣動作部橫截面(cm2) w一試驗時的木材含水率()。5.2.1.2橫條抗拉強度、木材橫條抗拉試樣及其受力方向、木材橫條抗拉力遠低于順條抗拉力，一般只有順條抗拉力的l/301/40。如果沿木材的徑向拉伸，則除了木線細胞的微原纖維絲被沿軸向拉伸以外，該輔助細胞的微

10、原纖維絲全部被沿垂直方向拉伸。橫條紋方向的微原纖維絲上的纖維素鏈間通過氫鍵(-OH )結(jié)合，該結(jié)合的能量另外，橫紋拉伸試驗時，應(yīng)力難以在整體上均勻分布，在單側(cè)撕裂后，往往在整個截面上擴展而被破壞，不是真正的橫紋拉伸強度。5.2.2木材抗壓強度、5.2.2.1順紋抗壓強度木材順紋抗壓強度是指木材沿紋理方向承受壓力載荷的最大能力，主要是指結(jié)構(gòu)件和建筑件榫接類似用途的容許動作應(yīng)力補正和柱件的選擇等，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)支柱、礦柱和家具中的柱件所承受的壓力。 木柱有長柱和短柱之分。 最小截面長度與直徑之比在11以下時稱為短柱，11以上時稱為長柱，長柱也稱為歐拉柱。 長柱以材料剛性為主要因素，受壓不穩(wěn)定，其破壞不

11、僅僅是由于壓力，還會產(chǎn)生縱向彎曲、扭矩，最后導(dǎo)致破壞，它不再屬于順紋壓壞的范疇。 (1)順紋抗壓強度的測定，中國國家標(biāo)準木材物理力學(xué)試驗方法(GB 1927-1943-91 )規(guī)定只測定短柱的最大抗壓強度。 其試樣尺寸為202030mm，長度與木材紋理平行的wP/a b 12w1 0.05(W-12 )式中： p破壞負荷，n。 a、b試樣截面尺寸、mm； w試驗時木材含水率()； w，12木材氣體干燥狀態(tài)，標(biāo)準含水率12%時的強度，Mpa。 我國木材的順壓強度平均值約為45Mpa，順壓比例界限與強度之比約為0.7，針葉樹材之比約為0.78，軟闊葉材為0.70，硬闊葉材為0.66。 針葉樹材之所

12、以有高比例的極限，是因為其結(jié)構(gòu)比較簡單且有規(guī)律的硬闊葉環(huán)孔材結(jié)構(gòu)不均勻，因此比較最低。 (2)順紋抗壓強度根據(jù)試樣破壞的形狀、試樣破壞面的狀態(tài)，順紋抗壓試樣的破壞可以分為以下6種形狀：壓縮、楔形割斷、割斷、壓縮和順紋剪切和壓接、木材順紋破壞時常見的6種形態(tài)、5.2.2.2試樣全部受到負荷作用、橫紋全部拉伸根據(jù)負荷作用于年輪的方向，分為弦向壓壞和徑向壓壞。 外力與年輪相接的方向是弦方向，與年輪垂直的方向是徑向。 因此，橫條紋抗壓強度有徑向全抗壓、弦向全抗壓和徑向局部抗壓、弦向局部抗壓四種形式，木材橫條紋抗壓強度測定試樣和受力方向1-徑向全抗壓2-徑向局部抗壓、針葉材料和闊葉環(huán)孔材料徑向抗壓時的應(yīng)

13、力和應(yīng)變的關(guān)系、5.2.3木材的彎曲強度、 木材的彎曲強度也稱為靜彎曲強度或彎曲強度，是重要的木材力學(xué)性質(zhì)之一，主要用于家具中的各種柜梁、建筑物桁架、地板和橋梁等易彎構(gòu)件的修訂。 在靜力載荷下，木材的彎曲特性主要由順紋拉伸和順紋抗壓強度的不同決定。 這是因為木材受到靜力耐彎曲負荷時，經(jīng)常會因壓縮而被破壞，因拉伸而產(chǎn)生顯著的損傷。 關(guān)于彎曲強度，控制木材彎曲阻力比界限的不是順筋拉伸阻力比界限時的應(yīng)力，而是順筋壓壞比例界限時的應(yīng)力。木材承受彎曲負荷時受力的方式和應(yīng)力分布情況，梁承受中央負荷彎曲時，梁的變形向上凹凸，上部纖維承受應(yīng)力而變短，下部纖維承受拉伸應(yīng)力而伸長，其間有纖維不承受而變短或不伸長的

14、層，該層的長度不變中性層和橫截面的交線稱為中性軸。 受壓和拉伸區(qū)域的應(yīng)力的大小與離中性軸的距離成比例，中性層的纖維受到水平方向的順筋剪切力。 由于順筋抗拉強度是順筋抗壓強度的23倍，因此，隨著梁的彎曲變形增大，中性層逐漸向下位移，直至梁的彎曲破壞。 5.2.3.2彎曲強度的測定，各樹種木材彎曲強度的平均值約為90MPa左右。 針葉樹材的徑向和弦方向的彎曲強度有一定的差異，弦方向比徑向高1012的闊葉材的兩個方向的差異一般不明顯。 彎曲強度的測定方法因國家而異，試樣的尺寸、加載方式、加載速度的不同。 我國國家標(biāo)準規(guī)定：樣品截面2020mm，長300mm，跨度240mm。 中央負荷、弦方向負荷試驗

15、以均勻的速度施加負荷，在12分鐘以內(nèi)破壞試樣。 為了避免試驗時在試樣的支撐臺和受力點產(chǎn)生壓痕，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，請在支撐臺和受力點放入鋼質(zhì)墊圈。 墊圈的尺寸為30205mm。木材彎曲強度的測定、彎曲強度w3pl/2bh2(MPa ) 12w 10.04 (w-12 ) (MPa )式中，w木材試樣在氣干狀態(tài)下的彎曲強度p破壞時的負荷、n； l跨度、240mm； b試樣寬度、mm； h試樣高度、mm； w試驗時試樣的含水率()。 5.2.3.3彎曲彈性模量，木材彎曲彈性模量是指木材受力彎曲時，按比例極限內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變之比，用于修正梁、桁架等在彎曲負荷下的變形，修正安全負荷。 木材的彎曲彈性模量

16、表示木材的剛性或彈性，以比例極限表示內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，即梁抵抗彎曲或變形的能力。 梁受荷時，其變形與彈性模量成反比，彈性模量大，變形小，木材剛性大。 木材彎曲彈性模量的測定，5.2.3.4彎曲彈性模量與彎曲強度的關(guān)系，彎曲強度與彎曲彈性模量之間存在比例關(guān)系。 現(xiàn)在試驗的國產(chǎn)樹種中，針葉材彎曲強度最大的樹種是長苞鐵杉122.7Mpa，最小的樹種是柳杉53.2Mpa。 闊葉材彎曲強度最大的樹種為海南子京183.1Mpa，最小的樹種為蘭考桐28.9Mpa。 針葉材彎曲彈性模量最大的樹種落葉松為14.5Gpa，最小的為云杉6.2Gpa。 闊葉材彎曲彈性模量最大的樹種為該樹21.1Gpa，最小的樹種為

17、蘭考桐4.2Gpa。 木材的彎曲強度方面，我國針葉材的多個樹種在60100Mpa之間，闊葉材的多個樹種在60140Mpa之間。 木材的彎曲彈性模量方面，中國針葉材的多個樹種在8.012Gpa之間，闊葉材的多個樹種在8.014.0Gpa之間。 我國356個樹種木材含水率為15%時，彎曲彈性模量e與彎曲強度的關(guān)系為線性函數(shù)，方程E=0.086 33.7，r=0.84兩者高度密切相關(guān)。 彎曲強度的測定非常容易，可以用這個公式來估計木材的彎曲彈性模量。 另外，還可以無損地測量木材的彎曲彈性模量，使用該公式推定木材的彎曲強度。 5.2.4木材抗剪強度、木材抗剪應(yīng)力的最大能力稱為抗剪強度。 木材的抗剪強度根據(jù)外力作用于木材紋理的方向，分為順筋抗剪強度和橫筋抗剪強度。 在實際應(yīng)用中，橫紋剪切不僅發(fā)生的現(xiàn)象少見，而且橫紋剪切總是橫向壓壞纖